CN114764111A - 一种非接入式的机器故障预测系统 - Google Patents

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CN114764111A CN202110208691.4A CN202110208691A CN114764111A CN 114764111 A CN114764111 A CN 114764111A CN 202110208691 A CN202110208691 A CN 202110208691A CN 114764111 A CN114764111 A CN 114764111A
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张金越
张弓
杨根
杨文林
梁小宁
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Abstract

本发明公开了一种非接入式的机器故障预测系统，包括至少一个分布式异构数据采集单元；每个分布式异构数据采集单元包括中央处理器、各种传感器和电源；中央处理器包括微控制器、通信电路、驱动电路、存储电路和传感器接口电路；驱动电路驱动微控制器，微控制器通过传感器接口电路获取各种传感器所采集到的数据，并将这些数据暂时存入储存电路中，微控制器接收和发送数据、分析数据、执行故障预测；每个分布式异构数据采集单元各自运行，而通信电路将各个分布式异构数据采集单元串连起来，组成局域网，实现网内的信息传递，辅助预测。本发明采用非接入式的方法，避免了接入到机器影响系统性能的问题；分布式的布局保证了系统的稳定性。

Description

一种非接入式的机器故障预测系统
技术领域
本发明涉及故障预测技术领域，具体涉及一种非接入式的机器故障预测系统。
背景技术
产线上的机器一旦发生故障，会影响企业的生产进程，造成经济上的损失。由于产线上的机器大多为24小时不停机工作，其健壮性会随着时间的增加而不断降低，而工人的感知系统只能判断机器的工作状态(正常或故障)，无法深入的了解机器的健壮程度。因此，当工人判定机器故障时，产线将面临停机维修的问题，造成了维修成本的提高(提前预知，需维护的工件少、成本低)、延误生产进程等问题。
在流程工业生产过程中，要实现无人化智慧产线，除了生产流程的自动化之外，还要解决产线运行状态的监控问题，就是要开发一套系统来替代传统的产线运维员的工作。现阶段，该系统主要是故障诊断系统，其对传感器采集到数据进行分析，判断机器的工作状态(正常或者故障)。但当诊断出故障后，工作人员立即前往现场进行维修仍存在时间差，最终影响产线的生产计划。
对于故障预测系统，可以查询到如下专利：一种工业设备故障预测盒(CN208580326U)、故障预测系统和故障预测设备(CN104834579A)、一种轴承故障预测试验系统(CN104697795A)。
不难发现，现阶段的故障预测系统多为接入式系统，需要安装在机器上，同时其使用需要产线停产配合安装调试，如此操作会对企业的生产计划造成较大的影响，同时由于监测系统的接入，产线设备的各项参数也会发生改变，会对产线的工作性能造成影响。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中机器工作时无法评判其健壮性的问题，本发明提出一种非接入式的机器故障预测系统，其无需安装在产线的机器上，只需固定在产线的周边；使用非接入式实现对产线设备更高精度的健壮性预测。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种非接入式的机器故障预测系统，包括至少一个分布式异构数据采集单元；每个分布式异构数据采集单元包括中央处理器、各种传感器和电源；
所述中央处理器分别与各种传感器、电源连接；
所述中央处理器包括微控制器、通信电路、驱动电路、存储电路和传感器接口电路；
所述微控制器分别与通信电路、驱动电路、存储电路、传感器接口电路连接；
所述传感器接口电路与各种传感器连接；
分布式异构数据采集单元中，在电源为其供电后，驱动电路驱动微控制器，微控制器通过传感器接口电路获取各种传感器所采集到的数据，并将这些数据暂时存入储存电路中，后期故障预测调用存储电路中的数据，被使用了的数据将会从存储电路中移除，为后面采集到的数据留下存储的空间，微控制器接收和发送数据、分析数据、执行故障预测；
每个分布式异构数据采集单元各自运行，而通信电路将各个分布式异构数据采集单元串连起来，组成局域网，实现网内的信息传递，辅助预测。
进一步地，所述各种传感器包括振动传感器、姿态传感器和温湿度传感器。
进一步地，所述传感器接口电路包括传感器CAN接口电路和传感器R485接口电路；
所述传感器CAN接口电路用于实现微控制器与传感器之间的CAN通信；
所述传感器R485接口电路用于实现微控制器与传感器之间的485通信。
进一步地，所述微控制器包括单片机P1，单片机P1的脚1连接电源VCC端，单片机P1的脚44接地。
进一步地，所述驱动电路包括晶振Y1、电容C4和电容C5；晶振Y1的一端分别连接单片机P1的脚41和电容C4的一端，电容C4的另一端连接电容C5的一端并接地，电容C5的另一端分别连接晶振Y1的另一端和单片机P1的脚43。
进一步地，所述通信电路为蓝牙或WIFI；包括端子P2，端子P2的脚1连接电源VCC端，端子P2的脚2接地，端子P2的脚3连接单片机P1的脚10，端子P2的脚4连接单片机P1的脚12，端子P2的脚5连接单片机P1的脚14，端子P2的脚6连接单片机P1的脚16。
进一步地，所述中央处理器还包括AD采集接口、IIC通信接口和USART接口；AD采集接口、IIC通信接口和USART接口都与微控制器连接；
所述AD采集接口用于采集传感器工作时变化的电压；
所述IIC通信接口用于IIC接口与微控制器间的信息传递；
所述USART接口用于串口与微控制器间的信息传递；
所述AD采集接口包括端子P3，端子P3的脚1连接单片机P1的脚20，端子P3的脚2接地；
所述IIC通信接口包括端子P4，端子P4的脚1连接单片机P1的脚30，端子P4的脚2连接单片机P1的脚32；
所述USART接口包括端子P5，端子P5的脚1连接单片机P1的脚40，端子P5的脚2连接单片机P1的脚42，端子P5的脚3接地。
进一步地，所述传感器CAN接口电路包括芯片U1、电容C1、电阻R1和CAN接口Q1；芯片U1的脚1连接单片机P1脚2，芯片U1的脚2连接电容C1的一端并接地，电容C1的另一端分别连接芯片U1的脚3和电源VCC端，芯片U1的脚4连接单片机P1脚4，芯片U1的脚6分别连接电阻R1的一端和CAN接口Q1的脚2，电阻R1的另一端分别连接CAN接口Q1的脚1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚8接地。
进一步地，所述传感器R485接口电路包括芯片U2、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R4和R485接口Q2；芯片U2的脚1连接单片机P1脚11，芯片U2的脚2分别连接芯片U2的脚3和单片机P1脚9，芯片U2的脚4连接单片机P1脚7，芯片U2的脚5接地，芯片U2的脚6分别连接电阻R2的一端、电阻R3的一端和R485接口Q2脚2，芯片U2的脚7分别连接电阻R2的另一端、R485接口Q2脚1和电阻R4的一端，芯片U2的脚8连接电阻R3的另一端、电容C2的一端和电源3.3V，电容C2的另一端连接电阻R4的另一端并接地。
进一步地，所述存储电路包括芯片U3、电容C3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；芯片U3的脚9分别连接单片机P1脚31和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚1分别连接单片机P1脚33和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚2分别连接单片机P1脚37和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚3分别连接电容C3的一端和芯片U3的脚6并接地，电容C3的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚4连接电源VCC端，芯片U3的脚5连接单片机P1脚35，芯片U3的脚7分别连接单片机P1脚27和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚8分别连接单片机P1脚29和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接电源VCC端。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、采用非接入式的方法，避免了接入到机器影响系统性能的问题。
2、分布式的布局，集成多个传感器，各单元可通信传输数据，多种数据来源保证了故障预测系统具有可靠、稳定的数据输入，分布式的布局保证了系统的稳定性。
3、本发明为故障预测系统，起到故障预测的作用，而不仅仅是故障诊断，做到防微杜渐，更好的保护设备、减少损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明非接入式的机器故障预测系统的拓扑图；
图2是本发明非接入式的机器故障预测系统的分布式异构数据采集单元的原理图；
图3是本发明分布式异构数据采集单元的中央处理器的原理图；
图4是本发明非接入式的机器故障预测系统的分布式异构数据采集单元的电路图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种非接入式的机器故障预测系统，包括至少一个分布式异构数据采集单元；每个分布式异构数据采集单元包括中央处理器、各种传感器(包括但不限于振动传感器、姿态传感器、温湿度传感器等)和电源，所述中央处理器分别与各种传感器、电源连接，如图2所示。
如图3所示，所述中央处理器包括微控制器(包括但不限于STM32、FPGA、工控机等)、通信电路、驱动电路、存储电路和传感器接口电路。
所述微控制器分别与通信电路、驱动电路、存储电路、传感器接口电路连接。所述传感器接口电路与各种传感器连接。
所述传感器接口电路包括传感器CAN接口电路和传感器R485接口电路。
所述传感器CAN接口电路用于实现微控制器与传感器之间的CAN通信。
所述传感器R485接口电路用于实现微控制器与传感器之间的485通信。
分布式异构数据采集单元中，在电源为其供电后，驱动电路驱动微控制器，微控制器通过传感器接口电路获取各种传感器所采集到的数据，并将这些数据暂时存入储存电路中，后期故障预测调用存储电路中的数据，被使用了的数据将会从存储电路中移除，为后面采集到的数据留下存储的空间，微控制器接收和发送数据、分析数据、执行故障预测。
由于该故障预测系统采用的是分布式布局，避免了集中式下的中央处理器故障而导致整体系统不能工作的问题。分布式下的每个异构数据采集单元各自运行，而各单元搭载的通信电路(包括wifi、蓝牙等方式)可将各个数据采集单元更好串连起来，组成局域网，实现网内的信息传递，辅助预测。
所述中央处理器还包括AD采集接口、IIC通信接口和USART接口；AD采集接口、IIC通信接口和USART接口都与微控制器连接。
所述AD采集接口用于采集传感器工作时变化的电压。
所述IIC通信接口用于IIC接口与微控制器间的信息传递。
所述USART接口用于串口与微控制器间的信息传递。
不同的微控制器，其引脚数和引脚的功能会有所差异，导致电路原理图出现局部的差异。分布式异构数据采集单元的原理图如图4所示。由于不同的传感器存在着不同的通信接口，故在使用传感器时，根据其所使用的通信接口类型连接至相应的端口。
所述微控制器包括单片机P1，单片机P1的脚1连接电源VCC端，单片机P1的脚44接地。
单片机P1为STM32等微控制器，用于接收和发送数据、分析数据、执行预测等。
所述驱动电路包括晶振Y1、电容C4和电容C5；晶振Y1的一端分别连接单片机P1的脚41和电容C4的一端，电容C4的另一端连接电容C5的一端并接地，电容C5的另一端分别连接晶振Y1的另一端和单片机P1的脚43。
Y1为晶振，用于产生一定频率的脉冲信号，其与C4、C5两个电容构成晶振电路作为微控制器的时钟源，用于驱动微控制器。
所述通信电路包括端子P2，端子P2的脚1连接电源VCC端，端子P2的脚2接地，端子P2的脚3连接单片机P1的脚10，端子P2的脚4连接单片机P1的脚12，端子P2的脚5连接单片机P1的脚14，端子P2的脚6连接单片机P1的脚16。
P2为蓝牙或WIFI，用于各采集单元间的通信。其1号引脚连接5V的电源，2号引脚接地，3、4号引脚作为RXD和TXD连接微控制器，用于接收和发送数据。当接入蓝牙模块时，5号引脚作为STA，输出模块的连接状态(连接、断开)，6号引脚作为WKUP，用于唤醒睡眠中的模块；当接入的是WIFI模块时，5号引脚为RST，起复位模块作用，6号引脚为IO-0，用于进入固件烧写模式。
所述AD采集接口包括端子P3，端子P3的脚1连接单片机P1的脚20，端子P3的脚2接地。
P3为AD采集接口，用于采集传感器工作时变化的电压。由于微控制器可设置内部上拉电阻，故1号引脚作为AD采集引脚，可直接连接微控制器，2号引脚接地，实现微处理器与传感器共地。
所述IIC通信接口包括端子P4，端子P4的脚1连接单片机P1的脚30，端子P4的脚2连接单片机P1的脚32。
P4为IIC通信接口。使用IIC通信的传感器需将其IIC_SCL(控制线)和IIC_SDA(数据线)分别连接到1号引脚和2号引脚。
所述USART接口包括端子P5，端子P5的脚1连接单片机P1的脚40，端子P5的脚2连接单片机P1的脚42，端子P5的脚3接地。
P5为USART接口，用于串口与微控制器间的信息传递，其中串口的TX连接P5的1号引脚，串口的RX连接P5的2号引脚。
所述传感器CAN接口电路包括芯片U1、电容C1、电阻R1和CAN接口Q1；芯片U1的脚1连接单片机P1脚2，芯片U1的脚2连接电容C1的一端并接地，电容C1的另一端分别连接芯片U1的脚3和电源VCC端，芯片U1的脚4连接单片机P1脚4，芯片U1的脚6分别连接电阻R1的一端和CAN接口Q1的脚2，电阻R1的另一端分别连接CAN接口Q1的脚1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚8接地。
U1为CAN收发芯片，微控制器的CAN_TX和CAN_RX引脚连接至U1的1号引脚和4号引脚,而U1的6号引脚和7号引脚作为CAN总线的起止端连接到传感器Q1的CAN接口，最终实现微控制器与传感器的CAN通信，同时CAN总线的起止端还连接着一个120Ω的电阻R1，来做阻抗匹配，以减少回波反射。
所述传感器R485接口电路包括芯片U2、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R4和R485接口Q2；芯片U2的脚1连接单片机P1脚11，芯片U2的脚2分别连接芯片U2的脚3和单片机P1脚9，芯片U2的脚4连接单片机P1脚7，芯片U2的脚5接地，芯片U2的脚6分别连接电阻R2的一端、电阻R3的一端和R485接口Q2脚2，芯片U2的脚7分别连接电阻R2的另一端、R485接口Q2脚1和电阻R4的一端，芯片U2的脚8连接电阻R3的另一端、电容C2的一端和电源3.3V，电容C2的另一端连接电阻R4的另一端并接地。
U2为RS485的收发芯片，其1、2、4号引脚分别连接微控制器的RS485_TX、RS485_RE、RS485_RX引脚。RS485_RE控制收发芯片的收发功能，当RS485_RE＝0时为接收模式，当RS485_RE＝1时为发送模式。而传感器Q2的RS485接口连接至U2的6、7号引脚，实现微控制器于传感器之间的485通信。电阻R2为终端匹配电阻，避免没有特征阻抗时产生噪声。而电阻R3和R4为偏置电阻，用来保证总线空闲时A、B(U2的6、7号引脚)之间的电压差大于200mV。
所述存储电路包括芯片U3、电容C3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；芯片U3的脚9分别连接单片机P1脚31和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚1分别连接单片机P1脚33和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚2分别连接单片机P1脚37和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚3分别连接电容C3的一端和芯片U3的脚6并接地，电容C3的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚4连接电源VCC端，芯片U3的脚5连接单片机P1脚35，芯片U3的脚7分别连接单片机P1脚27和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚8分别连接单片机P1脚29和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接电源VCC端。
U3为SD卡接口，其中5号引脚用于接收微控制器发送的时钟信号,1、7、8、9号引脚用于数据的传输，而2号引脚连接的SDIO_CMD用于命令的传输。
对于接入式的故障预测系统，其使用需要产线停产配合安装调试，如此操作会对企业的生产计划造成较大的影响，同时由于监测系统的接入，产线设备的各项参数也会发生改变，会对产线的工作性能造成影响。而非接入式故障预测系统规避了上述的问题，只需固定在产线的周边即可使用，具有良好的应用前景。
本发明非接入式，无需停机安装，无需接入产线的设备上，不影响设备的工作性能。
本发明分布式系统，集成多个传感器，各单元可通信传输数据，多种数据来源保证了故障预测系统具有可靠、稳定的数据输入，分布式的布局保证了系统的稳定性
本发明预测性维护，预测设备的磨损程度以及剩余使用寿命，方便用户更加及时的维护设备，减少设备故障造成的损失。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，包括至少一个分布式异构数据采集单元；每个分布式异构数据采集单元包括中央处理器、各种传感器和电源；
所述中央处理器分别与各种传感器、电源连接；
所述中央处理器包括微控制器、通信电路、驱动电路、存储电路和传感器接口电路；
所述微控制器分别与通信电路、驱动电路、存储电路、传感器接口电路连接；
所述传感器接口电路与各种传感器连接；
分布式异构数据采集单元中，在电源为其供电后，驱动电路驱动微控制器，微控制器通过传感器接口电路获取各种传感器所采集到的数据，并将这些数据暂时存入储存电路中，后期故障预测调用存储电路中的数据，被使用了的数据将会从存储电路中移除，为后面采集到的数据留下存储的空间，微控制器接收和发送数据、分析数据、执行故障预测；
每个分布式异构数据采集单元各自运行，而通信电路将各个分布式异构数据采集单元串连起来，组成局域网，实现网内的信息传递，辅助预测。
2.根据权利要求1所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述各种传感器包括振动传感器、姿态传感器和温湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述传感器接口电路包括传感器CAN接口电路和传感器R485接口电路；
所述传感器CAN接口电路用于实现微控制器与传感器之间的CAN通信；
所述传感器R485接口电路用于实现微控制器与传感器之间的485通信。
4.根据权利要求3所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述微控制器包括单片机P1，单片机P1的脚1连接电源VCC端，单片机P1的脚44接地。
5.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述驱动电路包括晶振Y1、电容C4和电容C5；晶振Y1的一端分别连接单片机P1的脚41和电容C4的一端，电容C4的另一端连接电容C5的一端并接地，电容C5的另一端分别连接晶振Y1的另一端和单片机P1的脚43。
6.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述通信电路为蓝牙或WIFI；包括端子P2，端子P2的脚1连接电源VCC端，端子P2的脚2接地，端子P2的脚3连接单片机P1的脚10，端子P2的脚4连接单片机P1的脚12，端子P2的脚5连接单片机P1的脚14，端子P2的脚6连接单片机P1的脚16。
7.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述中央处理器还包括AD采集接口、IIC通信接口和USART接口；AD采集接口、IIC通信接口和USART接口都与微控制器连接；
所述AD采集接口用于采集传感器工作时变化的电压；
所述IIC通信接口用于IIC接口与微控制器间的信息传递；
所述USART接口用于串口与微控制器间的信息传递；
所述AD采集接口包括端子P3，端子P3的脚1连接单片机P1的脚20，端子P3的脚2接地；
所述IIC通信接口包括端子P4，端子P4的脚1连接单片机P1的脚30，端子P4的脚2连接单片机P1的脚32；
所述USART接口包括端子P5，端子P5的脚1连接单片机P1的脚40，端子P5的脚2连接单片机P1的脚42，端子P5的脚3接地。
8.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述传感器CAN接口电路包括芯片U1、电容C1、电阻R1和CAN接口Q1；芯片U1的脚1连接单片机P1脚2，芯片U1的脚2连接电容C1的一端并接地，电容C1的另一端分别连接芯片U1的脚3和电源VCC端，芯片U1的脚4连接单片机P1脚4，芯片U1的脚6分别连接电阻R1的一端和CAN接口Q1的脚2，电阻R1的另一端分别连接CAN接口Q1的脚1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚8接地。
9.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述传感器R485接口电路包括芯片U2、电容C2、电阻R2、电阻R3、电阻R4和R485接口Q2；芯片U2的脚1连接单片机P1脚11，芯片U2的脚2分别连接芯片U2的脚3和单片机P1脚9，芯片U2的脚4连接单片机P1脚7，芯片U2的脚5接地，芯片U2的脚6分别连接电阻R2的一端、电阻R3的一端和R485接口Q2脚2，芯片U2的脚7分别连接电阻R2的另一端、R485接口Q2脚1和电阻R4的一端，芯片U2的脚8连接电阻R3的另一端、电容C2的一端和电源3.3V，电容C2的另一端连接电阻R4的另一端并接地。
10.根据权利要求4所述的非接入式的机器故障预测系统，其特征在于，所述存储电路包括芯片U3、电容C3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；芯片U3的脚9分别连接单片机P1脚31和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚1分别连接单片机P1脚33和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚2分别连接单片机P1脚37和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚3分别连接电容C3的一端和芯片U3的脚6并接地，电容C3的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚4连接电源VCC端，芯片U3的脚5连接单片机P1脚35，芯片U3的脚7分别连接单片机P1脚27和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接电源VCC端；芯片U3的脚8分别连接单片机P1脚29和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接电源VCC端。
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